RU2559900C2

RU2559900C2 - Orthogonal turbine with positive buoyancy

Info

Publication number: RU2559900C2
Application number: RU2012157040/06A
Authority: RU
Inventors: Мефодий Николаевич Бондарчук
Original assignee: Мефодий Николаевич Бондарчук
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2015-08-20
Also published as: RU2012157040A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to hydropower engineering, in particular to orthogonal turbines. The orthogonal turbine with positive buoyancy contains the floating block with a two-way water line 8 consisting of two cone-shaped floating pipes with rectangular section. In the place of joint of pipes the docking assembly is located which has the form of a stand where on the vertical axis the wheel of the orthogonal turbine 2 is installed. The wheel consists of a hollow shaft hub and sealed hollow disks 4 and blades 3. The shaft hub is connected through the bearing in the top cover of the turbine 2 with the drive the top end face of which contains a gear wheel for transfer of the rotary moment of the turbine 2 through the transmission to the 7th generator located in the stationary bin. End faces of the water line 8 are fitted with the flap gates 9, 10 hingedly connected among themselves by external rods.

EFFECT: invention is aimed at reduction of draft of the floating block and decrease of cost of the orthogonal turbine.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к ортогональным турбинам, используемым как на речных низконапорных, так и на морских приливных электростанциях /ПЭС/. Под ортогональной турбиной /ОТ/ понимается реактивная поперечно-струйная турбина, способная работать в условиях низких напоров, независимо от вертикального или горизонтального положения, при этом не меняется направление вращения вала при изменении направления струи потока, что является важным достоинством в использовании ОТ на ПЭС. ОТ конструктивно проще традиционных осевых турбин в изготовлении, менее металлоемки, их изготовление возможно, практически, на любом металлообрабатывающем предприятии.The invention relates to the field of hydropower, in particular to orthogonal turbines used both in low-pressure river and offshore tidal power plants / PES /. An orthogonal turbine (OT) is understood to mean a transverse jet turbine capable of operating under low pressure conditions, regardless of the vertical or horizontal position, while the direction of rotation of the shaft does not change when the direction of the jet stream is changed, which is an important advantage in using OT on PES. From structurally simpler to traditional axial turbines in manufacturing, less metal-intensive, their manufacture is possible, practically, at any metal-working enterprise.

Известен способ использования ОТ с диаметром колеса 5 м в составе ортогонального гидроагрегата /ОГА/, вертикально установленного в наплавном энергоблоке /НЭБ/ и буксиром по морю, доставленного от завода-изготовителя до места эксплуатации в Кольском заливе и пристыкованного к Кислогубской ПЭС (см. научно-технический журнал "Малая энергетика" №4, 2008, М., НИИЭС, стр. 7, 10, 73). НЭБ с ОГА выбран в качестве прототипа предложенного решения.A known method of using an OT with a wheel diameter of 5 m as part of an orthogonal hydraulic unit / OGA /, vertically mounted in a floating power unit / NEB / and a tugboat by sea, delivered from the manufacturer to the place of operation in the Kola Bay and docked to Kislogubskaya PES (see scientifically -technical journal "Small Energy" (No. 4, 2008, Moscow, NIIES, p. 7, 10, 73). The NEB with the RSA is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостаток этого устройства в том, что ОТ в составе ОГА увеличивает осадку НЭБ, например, под установку опорного подшипника под нижний торец вала ОТ необхдима сварная секция днища весом 63 т. Общий вес НЭБ составляет 2115 т., его осадка около 13 м (см. с. 74, 76), исключает возможность его использования в условиях речного мелководья. К недостаткам относится установленный над турбиной генератор, что усложняет доступ к ОТ и генератору; непригодными в речном варианте и выдвижные затворы водовода из-за возможного их разрушения не только ледоходом, но и водопотоком, когда НЭБ находится в рабочем полузатопленном положении.The disadvantage of this device is that OT in the composition of the OGA increases the NEB sediment, for example, under the installation of a thrust bearing under the lower end of the OT shaft, a welded section of the bottom weighing 63 tons is required. The total weight of the NEB is 2115 tons, its draft is about 13 m (see p. 74, 76), excludes the possibility of its use in shallow river waters. The disadvantages include a generator mounted above the turbine, which complicates access to the OT and the generator; unsuitable in the river version and the sliding gates of the water conduit due to their possible destruction not only by the ice drift, but also by the water flow, when the NEB is in the working half-flooded position.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении осадки НЭБ до уровня, позволяющего его проводку и эксплуатацию в морских или речных течениях с глубиной и энергоресурсом, достаточным для выработки электроэнергии, сравнимой по количеству мощности с прототипом, при непременном снижении ее стоимости.The technical result of the invention is to reduce the sedimentation of the NEB to a level that allows it to be wired and operated in sea or river flows with a depth and energy resource sufficient to generate electricity, comparable in amount of power to the prototype, with an indispensable reduction in its cost.

Настоящее изобретение представляет собой ортогональную турбину с положительной плавучестью, содержащую наплавной блок с двусторонним водоводом, состоящим из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб, на месте стыковки которых расположен стыковочный узел в виде стойки, внутри которой на вертикальной оси установлено колесо ортогональной турбины, состоящее из полого вала-ступицы и герметично полых дисков и лопастей, вал-ступица связан через подшипник в верхней крышке турбины с приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента турбины через трансмиссию генератору, расположенному в стационарном бункере, при этом торцы водовода снабжены откидными затворами, шарнирно связанными между собой наружными тягами. В одном из вариантов реализации изобретения затворы, закрывающие торцы водовода, снабжены кингстонными устройствами, обеспечивающими плавное погружение водовода. В другом варианте реализации лопасти турбины изготовлены из древесины.The present invention is a positive buoyancy orthogonal turbine comprising a floating unit with a double-sided water conduit consisting of two cone-shaped rectangular sections of the surfacing pipes, at the junction of which there is a docking unit in the form of a rack, inside which an orthogonal turbine wheel consisting of a hollow is mounted on a vertical axis the hub shaft and hermetically hollow disks and blades, the hub shaft is connected through a bearing in the upper cover of the turbine to the drive, the upper end of which contains esternyu for transmitting rotational torque of the turbine generator via the transmission located in the stationary hopper, the ends of the conduit are provided with hinged closures hingedly interconnected outer rods. In one embodiment of the invention, the gates closing the ends of the water conduit are equipped with kingston devices providing smooth immersion of the water conduit. In another embodiment, the turbine blades are made of wood.

Указанный технический результат достигается перестановкой корпусного оборудования НЭБ, в частности перенос и установку генератора в пристыкованное наплавное средство или на отдельных мостках, тогда трехъярусный НЭБ прототипа может быть одноярусным, содержащим конусообразный водовод с ортогональной турбиной в его конической части, торцам водовода вместо выдвижных затворов герметичность обеспечивают откидные затворы (см. "Морской энциклопедический справочник, л. 1987, том 1, с. 255). Корпусом новообразованного НЭБ может служить переоборудованная лихтерная баржа (см. там же стр. 396), при условии использования ортогональной, обладающей положительной плавучестью, турбины (ОТП), что достижимо при использовании всех ее герметично полых составляющих в виде вала, дисков, лопастей, изготавливаемых из листового металла методом гибки, сварки, с последующим заполнением их лопастей пенополимером. При серийном производстве возможен прокатный метод по технологии изготовления тонкостенных сварных труб заданного профиля.The specified technical result is achieved by rearrangement of the NEB case equipment, in particular, the transfer and installation of the generator in the docked surfacing means or on separate bridges, then the prototype triple-layer NEB can be single-tier, containing a cone-shaped water conduit with an orthogonal turbine in its conical part, instead of the sliding shutter ends, the airtight ends provide tightness hinged gates (see "Marine Encyclopedic Handbook, l. 1987, volume 1, p. 255). The body of the newly formed NEB can serve as a conversion bathroom lighter barge (see ibid. p. 396), provided that an orthogonal turbine with positive buoyancy (OTP) is used, which is achievable with all hermetically hollow components in the form of a shaft, disks, blades made of sheet metal by bending , welding, followed by filling their blades with a foam polymer. In mass production, a rolling method is possible according to the technology for manufacturing thin-walled welded pipes of a given profile.

Значительную долю веса ОТ прототипа составляет вал турбины, к тому же его изготовление - высокозатратное мероприятие, требующее особо точного и энергоемкого оборудования, высокой квалификации специалистов. В комплекте вала необходимы опорные спецподшипники, способные работать в агрессивной среде, тогда как у ОТП вал-ступица изготовлена из трубного проката, при этом полный вал позволяет использовать игольчатые или скользящие подшипники, а колесу ОТП - возможность быть посаженным на неподвижную вертикальную ось в днище турбинной камеры, находящейся в конической части водовода. Верхний торец вала ОТП находится в свободном сцеплении с торцом наставного вала, пропущенного через узловые подшипники герметично полой крышки турбинной камеры внешней стороны водовода. На верхнем торце наставного вала находится зубчатое колесо, способное передать крутящий момент ОТП трансмиссии, проложенной к находящемуся вне бортов НЭБ генератору (на чертеже не показано). Вынос генератора за пределы НЭБ имеет ряд преимуществ, в частности оставляя неизменным габариты водовода, при этом снизить высоту НЭБ с 15 м до 5 м (см. с. 7 там же). Упрощается доступ к ОТП без осушения водовода, струя водопотока перекрывается откидными затворами. Для вскрытия крышки турбинной камеры достаточно отвести передаточный узел, состоящий из наставного вала и трансмиссии, при погруженном НЭБ, герметично полая крышка турбинной камеры способна самостоятельно всплыть вместе с ОТП. Мероприятия по замене ОТП можно осуществлять при помощи наплавных средств.A significant proportion of the prototype’s OT weight is made up of the turbine shaft, and its manufacture is a high-cost event requiring particularly accurate and energy-intensive equipment and highly qualified specialists. The shaft kit requires special support bearings that can operate in an aggressive environment, while the OTP has a shaft-hub made of rolled steel, while the full shaft allows the use of needle or sliding bearings, and the OTP wheel allows it to be mounted on a fixed vertical axis in the turbine bottom a chamber located in the conical part of the conduit. The upper end of the OTP shaft is in free engagement with the end of the extension shaft, passed through the nodal bearings of the hermetically hollow cover of the turbine chamber of the outer side of the conduit. At the upper end of the extension shaft there is a gear wheel capable of transmitting the torque of the OTP transmission laid to the generator located outside the sides of the NEB (not shown in the drawing). Removing the generator outside the NEB has several advantages, in particular, leaving the dimensions of the water conduit unchanged, while reducing the height of the NEB from 15 m to 5 m (see page 7 in the same place). Access to OTP is simplified without draining the water conduit, the stream of water is blocked by hinged gates. To open the cover of the turbine chamber, it is enough to retract the transmission unit, which consists of the extension shaft and the transmission, when the NEC is immersed, the hermetically hollow cover of the turbine chamber can independently float with the OTP. Measures to replace OTP can be carried out using surfacing means.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Принципиальные элементы конструкции ортогональной турбины изображены на приложенных чертежах (фиг. 1 - общий вид и фиг. 2 - увеличенное изображение центральной части).The fundamental structural elements of the orthogonal turbine are shown in the attached drawings (Fig. 1 is a general view and Fig. 2 is an enlarged image of the central part).

На неподвижно закрепленной на днище НЭБ оси - 1 насажен полый вал-ступица турбины - 2, полые металлические или деревянные лопасти - 3 неподвижно присоединены к полым дискам - 4, причем диски при помощи сварки закреплены на валу турбины - 2, верхний торец этого вала находится в постоянным сцеплении с наставным валом - 5, проходящим через подшипники, установленные в турбинной камере - 6, на торце наставного вала насажена коническая шестерня, способная передать вращательное движение турбины трансмиссии - 7 при открытом коническом водоводе - 8, открытие водовода обеспечивают откидные затворы - 9, 10 - корпус НЭБ.On the axis - 1 fixed on the bottom of the NEB, a hollow shaft of the turbine hub is mounted - 2, hollow metal or wooden blades - 3 are fixedly attached to the hollow disks - 4, the disks being welded to the turbine shaft - 2, the upper end of this shaft is in constant engagement with the extension shaft - 5, passing through bearings installed in the turbine chamber - 6, a bevel gear is mounted on the end of the extension shaft, capable of transmitting the rotational movement of the transmission turbine - 7 with an open conical conduit - 8, opening water conduits are provided by hinged gates - 9, 10 - the body of the NEB.

Ортогональная турбина с положительной плавучестью /ОТП/ в раздвижном или монолитном водоводе состоит из наплавного блока со встроенным внутри водоводом, в центре которого камера с ортогональной турбиной, лопасти которой удерживаются стойками, лучами, отходящими от дисков вала турбины, при этом низкий торец вала насажен на упорный подшипник в днище турбинной камеры, верхний торец вала через подшипниковый узел крыши камеры соединен с приводом генератора, отличается тем, что положительная плавучесть ОТП обеспечивается совокупностью всех ее герметично полых составляющих, изготовленных из тонколистного металла методом штамповки, гибки, сварки с последующим заполнением полостей вспененным полимером или изготовленных из неметаллических плавучих материалов, например из древесины, и затем составляющие армированы полимерами (углеволокном), в том числе полиамидом, что увеличивает механическую прочность и износостойкость ОТП.A positive buoyancy orthogonal turbine / OTP / in a sliding or monolithic water conduit consists of a floating block with an internal water conduit, in the center of which there is a chamber with an orthogonal turbine, the blades of which are supported by struts, rays extending from the turbine shaft disks, while the low shaft end is mounted on thrust bearing in the bottom of the turbine chamber, the upper end of the shaft through the bearing unit of the roof of the chamber is connected to the drive of the generator, characterized in that the positive buoyancy of the OTP is ensured by the combination of all its hermetically hollow components made of sheet metal by stamping, bending, welding, followed by filling the cavities with foamed polymer or made of non-metallic floating materials, such as wood, and then the components are reinforced with polymers (carbon fiber), including polyamide, which increases the mechanical strength and wear resistance of OTP.

В другом варианте реализации на затапливаемом наплавном блоке под установку двустороннего водовода, состоящего из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб, на месте их стыковки находится стыковочный узел в виде надстройки, внутри которой на ось насажена ОТП, а ее вал-ступица находится в сцеплении с проходящим через ее верхнюю крышку приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента ОТП трансмиссии, проложенной к генератору в стационарном бункере или наплавном блоке; к проемам надстройки приштукованы конические горловины двустороннего водовода, до их затопления, герметичность их торцов обеспечивается откидными большими и малыми затворами шарнирно связанными между собою наружными тягами, при этом большие понтонные затворы, закрывающие торцы раструбов, снабжены кингстонными устройствами, обеспечивающими плавное погружение водовода, его открытие или, при необходимости, закрытие.In another embodiment, on a flooded floating unit for installing a two-sided water conduit consisting of two cone-shaped rectangular sections of the floating pipes, at the place of their joining, there is a docking unit in the form of a superstructure, inside of which an OTP is mounted on the axis, and its hub shaft is in engagement with the passing through its upper cover by a drive, the upper end of which contains a gear for transmitting the torque of the OTP transmission laid to the generator in a stationary hopper or floating block; conical necks of the double-sided water conduit are attached to the openings of the superstructure, before they are flooded, the tightness of their ends is ensured by folding large and small shutters articulated between themselves by external rods, while the large pontoon shutters that close the ends of the sockets are equipped with kingston devices that ensure smooth opening of the conduit, its or, if necessary, closure.

Еще в одном варианте трубчатый вал ОТП несколько превышает длину лопастей и имеет свободу перемещения по вертикали оси, превышающую высоту элементов сцепления с приводом трансмиссии генератора, что позволяет при экстренной необходимости отключить ОТП от привода методом ее погружения, что обеспечивается находящимися между валом и осью сальником и скользящими вкладышами, используемыми в тихоходных устройствах.In another embodiment, the OTP tubular shaft slightly exceeds the length of the blades and has freedom of movement along the vertical axis, exceeding the height of the clutch elements with the generator transmission drive, which allows, in case of emergency, to disconnect the OTP from the drive by immersion, which is ensured by the stuffing box located between the shaft and the axis and sliding inserts used in slow-moving devices.

Также вариант реализации предполагает, что конструктивные возможности турбины позволяют затапливаемый наплавной блок возводить с двусторонним водоводом монолитно, при этом необходимость в откидных понтонных затворах отпадает, или же их заменяют одноразовыми откидными затворами.Also, the implementation option assumes that the design capabilities of the turbine allow the flooded floating unit to be erected with a double-sided water conduit in one piece, while there is no need for pontoon gates, or they are replaced with disposable hinged gates.

Плавучесть ортогональной турбины обеспечивается совокупностью всех ее герметично полых составляющих, изготовленных из тонколистового металла методом штамповки, гибки и сварки с последующим заполнением полостей внутри вспененным полимером, а для внешней снаружи для упрочнения всей конструкции и одновременно защиты от коррозии также используют полимер, например полиамид, армированный углеволокном, такой вид покрытия позволит использовать для изготовления лопастей и стоек турбины неметаллические материалы, например древесину. При массовом производстве указанных деталей может быть применен прокатный метод по технологии проката тонкостенных труб заданного профиля. Вал турбины также состоит из трубного проката, что позволяет рабочему колесу вращаться на оси, установленной в турбинной камере затапливаемого наплавного блока, на котором располагается сборный или монолитный с включением турбинной камеры водовод, состоящий из конусообразных прямоугольного сечения труб, плавучесть которых до их затопления поддерживается герметичными откидными затворами, доступ к турбине осуществляется через верхнюю свободно открывающуюся герметичную крышку, в центре которой находится привод, передающий вращательный момент от турбины через трансмиссию к генератору.The buoyancy of an orthogonal turbine is ensured by the combination of all its hermetically hollow components made of sheet metal by stamping, bending and welding, followed by filling the cavities inside with foamed polymer, and for the outside outside, to reinforce the entire structure and at the same time protect against corrosion, a polymer, for example, reinforced polyamide carbon fiber, this type of coating will allow the use of non-metallic materials, such as wood, for the manufacture of turbine blades and racks. In the mass production of these parts, a rolling method can be applied according to the technology of rolling thin-walled pipes of a given profile. The turbine shaft also consists of rolled pipe, which allows the impeller to rotate on an axis installed in the turbine chamber of the flooded surfacing block, on which a prefabricated or monolithic water pipe with the turbine chamber is turned on, consisting of cone-shaped rectangular cross-section of pipes, the buoyancy of which is sealed before flooding hinged shutters, access to the turbine is through the upper freely open airtight cover, in the center of which there is a drive transmitting rotationally th point of the turbine to the generator via a transmission.

Данное предложение может использоваться как экспериментальная база при использовании древесины или армированного пластика в качестве лопастей ОТП, при условии, что ее полые диски способны удержать на плаву вал-ступицу турбины, что позволит крепить лопасти к ребрам дисков, как показано на чертежах. На чертежах показан продольный разрез НЭБ на плаву, его носовая и кормовая части вместе с водоводом герметично закрыты откидными затворами.This proposal can be used as an experimental base when using wood or reinforced plastic as OTP blades, provided that its hollow disks are able to keep the turbine-hub hub afloat, which will allow fixing the blades to the disk ribs, as shown in the drawings. The drawings show a longitudinal section of the NEB afloat, its bow and stern parts, together with the water conduit, are hermetically closed by hinged gates.

Claims

1. Orthogonal turbine with positive buoyancy, containing a floating block with a two-sided water conduit, consisting of two cone-shaped rectangular cross-section of the floating pipes, at the junction of which there is a docking unit in the form of a rack, inside which an orthogonal turbine wheel consisting of a hollow shaft is installed on a vertical axis - hubs and hermetically hollow disks and blades, the hub shaft is connected through a bearing in the upper cover of the turbine to the drive, the upper end of which contains a gear for transmitting torque nta turbines through a transmission to a generator located in a stationary hopper, while the ends of the conduit are equipped with hinged shutters articulated by external rods.

2. The turbine according to claim 1, characterized in that the gates closing the ends of the water conduit are equipped with kingston devices providing a smooth immersion of the water conduit.

3. The turbine according to claim 1, characterized in that the blades are made of wood.